【摘要】：化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)在航天器中應(yīng)用最為廣泛,金屬膜片貯箱作為其中的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑的存儲(chǔ)和管理。貯箱能否實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑有效的管理與控制,則主要取決于貯箱中金屬膜片設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。金屬膜片的設(shè)計(jì)主要涉及材料屬性、膜片構(gòu)型、幾何參數(shù)以及制造工藝4個(gè)方面的因素,其中,幾何參數(shù)對(duì)金屬膜片翻轉(zhuǎn)性能的影響較大。貯箱金屬膜片翻轉(zhuǎn)性能的表征指標(biāo)主要有6個(gè):膜片重量、貯箱排空效率、翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、翻轉(zhuǎn)難易程度、翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和頂點(diǎn)偏心程度。當(dāng)前大部分的研究都是使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和極差分析來針對(duì)金屬膜片的某些翻轉(zhuǎn)性能進(jìn)行影響因素分析和選型設(shè)計(jì),而對(duì)膜片進(jìn)行明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少;且對(duì)金屬膜片的優(yōu)化分析也都是針對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行的。工程上不同工況下,對(duì)金屬膜片的翻轉(zhuǎn)性能的要求是不一樣的,而且指標(biāo)往往是非單一的。因而,對(duì)貯箱金屬膜片進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化不僅是有意義的,也是不得不面對(duì)的問題。本文以邊緣翻轉(zhuǎn)型金屬膜片貯箱為對(duì)象,主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究:(1)貯箱排空效率可以通過金屬膜片翻轉(zhuǎn)容積來表征,在貯箱方案設(shè)計(jì)階段需要快速且相對(duì)準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行預(yù)估。針對(duì)現(xiàn)有估算翻轉(zhuǎn)容積方法的缺點(diǎn),提出了快速求解貯箱金屬膜片精確翻轉(zhuǎn)容積的二維模型仿真計(jì)算方法。(2)對(duì)環(huán)向加筋的錐柱形金屬膜片進(jìn)行了參數(shù)化建模,通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和極差分析方法得到了幾何參數(shù)對(duì)每種翻轉(zhuǎn)性能的影響力大小,并找到了關(guān)鍵影響參數(shù),從而為確定多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量提供理論依據(jù)。(3)根據(jù)確定的設(shè)計(jì)變量,以膜片的翻轉(zhuǎn)性能指標(biāo)為響應(yīng),設(shè)計(jì)了100組正交實(shí)驗(yàn),依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果訓(xùn)練得到了金屬膜片翻轉(zhuǎn)的近似模型,并進(jìn)行了預(yù)測(cè)誤差分析,結(jié)果表明構(gòu)建的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型滿足精度要求。(4)提出金屬膜片多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法,并進(jìn)行算例分析,對(duì)比分析優(yōu)化前后的金屬膜片翻轉(zhuǎn)性能,結(jié)果表明優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)性能更優(yōu),實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化的目的,證明了該方法的有效性與可行性。(5)貯箱的燃?xì)鈹D壓排液過程中存在著熱量傳遞,而推進(jìn)劑的溫度必須保持在合適的范圍內(nèi),顯然,金屬膜片的防熱層厚度是重要的影響參數(shù)。在貯箱多學(xué)科分析的基礎(chǔ)上,以防熱層厚度為設(shè)計(jì)變量,對(duì)其防熱效果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V421.33
【圖文】：

需的力和力矩，其重要性毋庸置疑。航天器上應(yīng)用的基本上都是主動(dòng)控制式推進(jìn)系統(tǒng)，可以分為化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)和新概念推進(jìn)三種類型。其中化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用最早，目前已有廣泛的研究和發(fā)展，如圖1-1所示，其工作過程大致為：高壓氣體經(jīng)過減壓后進(jìn)入貯箱內(nèi)，并擠壓貯箱膜片，在內(nèi)外壓差作用下，膜片產(chǎn)生較大變形，開始翻轉(zhuǎn)，同時(shí)將貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑擠入輸送管路，經(jīng)過過濾元件之后進(jìn)入推力裝置，最終產(chǎn)生控制力，執(zhí)行航天器的控制任務(wù)。由此可見，推進(jìn)劑貯箱主要實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑的存儲(chǔ)和管理，是航天器推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。顯然，貯箱能否實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑有效的管理與控制，則主要取決于貯箱膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。高壓氣瓶減壓器金屬膜片貯箱隔膜閥過濾器推力裝置金屬膜片h推進(jìn)劑金屬膜片高壓氣體推進(jìn)劑貯箱圓弧段錐柱段預(yù)彎邊段θ圖1-1 推進(jìn)系統(tǒng)與金屬膜片貯箱Fig.1-1 Propulsion system and metal diaphragm tank推進(jìn)劑貯箱的結(jié)構(gòu)類型多種多樣，金屬膜片貯箱由于其具有重量輕、壽命長、可靠性高、相容性好、排放效率高、抗?jié)B透性強(qiáng)

圖 2-2 最大外圓估算法求解容積f turnover volume by maximum outer circle個(gè)方面的原因：一是對(duì)于半球形差等因素，將導(dǎo)致最終得到的膜片，在翻轉(zhuǎn)之后得到的真實(shí)型到的容積無法考慮膜片厚度、材，顯然這是不合理的。因此需要翻轉(zhuǎn)容積的方法，使得在盡可能提短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。解方法對(duì)金屬膜片的有效翻轉(zhuǎn)容積進(jìn)行有效翻轉(zhuǎn)容積的方法主要有兩前一種方法計(jì)算準(zhǔn)確，但耗時(shí)長適用于半球形膜片�？紤]到設(shè)計(jì)

表 2-1 金屬膜片幾何參數(shù)Table 2-1 Geometric parameters of metal diaphragm幾何參數(shù) 符號(hào) 備注預(yù)彎邊半徑 R0膜片為變厚度，分 3個(gè)區(qū)域?qū)訄A弧段半徑 R1圓心高度 Y1固定邊赤道圓直徑 D0膜片厚度 t1/ t2/ t3不同厚度區(qū)域?qū)?yīng)高度 H1/ H2/ H3以設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)容積為 9L 的金屬膜片貯箱為例建立二維模型進(jìn)行仿真分析，整個(gè)分析過程僅需 0.77 分鐘，翻轉(zhuǎn)過程如圖 2-6 所示。采用同樣的幾何尺寸（母線相同）、材料屬性和求解方法對(duì)全尺寸的三維膜片進(jìn)行仿真分析，三維膜片翻轉(zhuǎn)過程的模型如圖 2-7 所示，整個(gè)分析過程耗時(shí) 302.1 分鐘。二維膜片與三維膜片的翻轉(zhuǎn)行為基本一致，均從預(yù)彎邊處開始翻轉(zhuǎn)，并向中心擴(kuò)展，直至翻轉(zhuǎn)完成。其中，Inc 為翻轉(zhuǎn)過程中的載荷步，二維膜片在第 364 步完成翻轉(zhuǎn)，三維膜片在第 314 步完成翻轉(zhuǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號(hào)：2802074